温室智能装备系列之十三温室精准点动农药喷洒系统
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系统开发背景
多年来，温室喷药一直是广大农业工作者关注的对象。如何用药，怎么喷药，成为众多学者研究的重点。以往对农药喷洒的研究多是基于农药喷洒效果的研究。但对于农药的定量喷洒却缺少进一步的研究。随着“环保农业”概念的提出。对农产品农药是否残留，农药是否有效地利用等等都提出了很高的要求。在该方面，国外早就做了研究，并且在温室农药的喷洒精准性研究上取得了很多成果。相对而言，我国的温室农药喷洒技术则大多落后于西方发达国家，往往农药喷洒不到位，尤其在农药的精准性上，更加落后，如此很容易造成温室农药喷洒的不均衡和农药浪费，为此导致了土壤的农药污染、农药残留过大、农作物的减产等一系列的问题。
为了解决上述问题，笔者等设计了一套温室精准点动农药喷洒系统。此系统通过用户键盘输入自己所需要的农药用量，确定后，系统经过内部的运算，比较精准地控制直流水泵的开启时间，进而输出用户所需要的农药用量。这样可以保证农作物用药的精准度，降低农药过量喷洒带来的土壤污染危害，解决了农药利用率低的问题。另外，为了快速地进行温室喷药，减少设置时间，本系统拥有一个点动的控制功能，即需要相同剂量的喷洒时，系统会记忆当前的设置量度，用户只需再次按下开启按键即可重复此前的操作，方便、省时。
本系统采用ATMEL公司的AT89C52单片机作为控制系统的主控芯片。AT89C52单片机经历了几十年的发展，在控制方面仍具有明显的优势，它具有价格低廉、性能稳定、经济耐用、容易控制等优点，适用于微型控制系统的定制。另外，控制系统加入L298直流电机控制芯片，此芯片具有控制简单、多重功能的优点，可以利用对单片机的编程来控制L298，从而实现直流水泵的正转、反转、停止、急停等功能。此外，通过单片机对L298直流电机芯片的控制，可以有效地控制直流水泵的转速，达到在喷药过程中指定流量大小，从而达到整体控制农药精准定量喷洒的目的。
控制系统工作原理
本控制系统可以实现对农药的精准喷洒，那么系统是如何知道其喷洒量度的呢?大家知道，随着直流水泵工作时间的增加，喷药量会随之线性增加。为此，我们可以转化研究对象，从对喷药量的控制转化到对喷药时间的控制。然后通过对单片机内部定时器的编程，利用内部定时器的中断来控制直流水泵的开启与闭合。当系统运行开始后。用户首先通过键盘选择大流量喷洒和小流量喷洒档位，然后输入需要校核的时间，使系统获取接收到农药的校核量，然后通过键盘依次输入用户接收到的校核量和用户实际需要喷洒的药量，输入完成后，按下启动键，单片机会对输入的数据进行运算，即把需要输出的农药流量换算为实际单片机控制直流电机运转的时间，这样就变相地控制了喷洒农药的流量，从而实现农药喷洒的精准定量的目的。
硬件电路设计资源
主控芯片采用ATMEL公司的AT89C52单片机处理芯片，它具有控制简单、价格低廉的优点，完全可以有效控制相应的电路。直流水泵驱动模块采用直流水泵控制专有芯片L298。L298是双H桥高压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流水泵负载，可以方便地控制直流水泵的正反转与停止。液晶显示模块采用MS12864R液晶，可以有效地显示用户输入的数字，输入设备采用4×4矩阵键盘，用于用户输入校核时间、校核值和实际输出的农药量。
L298直流水泵驱动模块
L298每一路输出可以正常提供1A的电流，峰值电流可达3A。将每个L298芯片的两路输出并联后驱动直流水泵，则可以输出2A的电流，图1是L298并联的输出方法，这是每一片芯片只能驱动1个直流水泵。
其中，1N1和IN2通过TLP521光耦元件与单片机IO口相连来控制直流水泵的停转，ENABLE与单片机输出PWM信号相连来控制直流水泵的转速。OUT1和OUT2输出端口连接直流水泵。
显示模块
为了更好地实现功能，显示部分采用MSR12864R液晶显示器，它采用ST7920液晶控制驱动器。ST7920内置128*64―12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形。该模块提供并行和串行两种连接微处理器的方式，由外部引脚PSB来选择，当PSB写1时选择并行方式，写0时选择串行方式，基于本系统利用较多的单片机10口资源，选择串行方式进行液晶的数据命令传输，图2是与单片机的连接图。
系统软件控制流程
本系统软件是基于C语言开发的。C语言开发可提高程序开发效率，便于程序移植。系统设计软件流程图如图3所示。
系统软件算法如下：
本系统的算法控制是基于输出的流量大小和直流水泵工作时间成正比，公式如下：
Y=kT
式中，Y－直流水泵流量；
k－斜率；
T－直流水泵工作时间；
由上述公式可以看出，欲改变直流水泵的流量，间接地改变直流水泵的工作时间即可。
系统主要性能指标
系统主要性能指标见表1。
系统特色
使用操作简单
本系统设计比较精准有效，功能明确，用户不需要知道控制系统内部构造，无需明白控制系统的控制原理，仅仅通过利用键盘操作即可达到使用的目的。
首先，用户打开电源开关对系统通电，等待系统初始化结束后进入控制系统设置阶段。用户根据自己喷药量的大小，通过键盘选择低速、中速或高速运转的模式，然后用户只需要通过键盘并且根据自己输出流量的大小来设置输入校核时间，并利用适当的量筒来测量输出的校核值，并且记下当前的校核值，用于下一步的校核输入设置。获取到校核值之后，用户根据液晶显示器的说明依次输入校核值和用户实际需要输入的喷药量。等待用户输入完成后，即可按下确定键，系统会按照用户当前设定的输出值开始精准喷雾操作。
喷雾高效实用
本系统适合对大面积同等植株的喷药操作。因为该系统有一个点动的功能，用户设定好喷洒量之后，系统会记下当前的喷洒量，如果系统没有断电或者重新修改输出数值，那么系统会保持当前的喷洒量不变，如对下一个植株进行同样剂量的农药喷洒时，用户无需再次设置药量，唯一的工作就是再次轻轻按下开关键即可重复以上的喷药操作，使用方便，从而大大地节省了喷洒农药的时间。如果用户需要对药量进行再次调整，需要重新设置喷洒药量，用户只需按下返回键即可重新设置喷药量，操作步骤仍然是依次输入校核值和新的输出药量值，完毕后按下开启键，加上这种操作使控制系统更加灵活，喷雾更加高效实用。
控制系统轻巧耐用
本控制系统属于肩背式控制系统，整体机器骨架采用轻型塑材制作，质量比较轻，药箱容积15L，完全可以一人操作完成。另外，控制系统自带充电电池，用户可以很方便地进行田间喷药作业，因此系统可 广泛地使用于温室、大田等多种场合。此外，控制系统本身的电路板采用高质量PCB板制作，焊接精良，元器件多采用质量可靠产品，增加整套控制系统的实用寿命，为此可以良好地适应于各种室内室外的环境条件。
简单培训即可操作设备
针对中国目前大部分种植人员农机操作技术水平较低的现状，点动精准定量喷药控制系统采用简单的手动控制模式，用户可以按照用户说明手册通过简单的键盘操作即可完成数据的设定，很适合广大用户朋友使用。
另外，本控制系统购买成本和维修费用较低，适合国内大面积推广使用。
使用注意事项
使用该设备时，必须穿戴专门的防护服和防护面罩。以防农药中毒。在使用控制系统之前，用户需要了解植株的药量需求情况，以便进行药量设置。在系统接收输出校核药量的时候，务必保证将校核的药剂量全部收集到量筒中，并准确读出校核量的大小，这样控制系统才能通过内部运算得到用户输入的准确药剂用量。如不正确操作，可能会出现实际喷洒的药量或多或少的现象，从而背离了本系统设计的初衷。另外，在喷洒的过程中，用户要根据自己实际情况选择合适的校核时间。校核时间过大会导致校核输出值过大，不方便用户接收：校核时间过小会导致校核输出值过小，不方便用户读数。在每次用完此装置后，用户要及时对药箱内部进行彻底刷洗，防止药物残留，以防本次药物对下次药物药性的影响。最后，由于控制系统电路板没有进行防水处理，用户在使用时要特别注意。控制器内部绝对不可接触水分。以防电路板短路，造成对电机、控制器烧毁。
应用实例
该系统在北京小汤山国家精准农业示范基地进行了应用，喷洒的杀菌剂为全面广谱高效杀菌药纯品多菌灵单剂(80％可湿性粉剂)，浓度为1500，目标作物为番茄。试验主要验证了两个方面，一是时间上是否节省，二是在用药效果上是否可以达到良好的效果。为此，试验选用了两种喷药机，一种没带此控制系统，一种带有自行研制的控制系统。然后对200株番茄进行农药喷洒(各100株)，对使用效果和使用时间进行了比较。通过比较证明，带本控制系统的农药喷洒机能够比较全面地控制菌核病、霜霉病、白粉病。另外，在喷药时间上，比同等不带本控制系统的喷药机节省了将近10％的时间，大大地提高了农药喷洒的效率。由于喷药时间的节省，间接地节省了农药的利用量，从而减低了农药投入成本。